CN106414199A - 具有海尔贝克阵列和铁磁流体芯的电机 - Google Patents

Abstract

描述了一种电机装置，其利用海尔贝克阵列和铁磁流体芯。电机包括转子组件和定子组件，其中的每个利用海尔贝克阵列。铁磁流体芯在定子中使用，其得到不易于受芯损耗影响并且以增大的效率进行操作的电机。

Description

具有海尔贝克阵列和铁磁流体芯的电机

相关申请的交叉引用

本申请要求于2014年3月26日提交的美国临时专利申请No.61/970,719的权益，出于各种目的将其内容通过引用的方式整体并入。

技术领域

本公开内容大体涉及电机的领域。

背景技术

目前存在针对电机的许多不同的设计。电机是将电能转换成动能的电动机器。为了达到这一点，大多数电机使用若干螺线管来产生磁场。铁磁芯常常被用于聚集并引导由螺线管产生的磁场。当芯经受变化的磁场时，芯的磁化随着变化的磁场而变化。磁化的变化导致铁磁粒子连续地重新对齐，从而产生余热并浪费能够被转换成机械能的潜在的能量。该过程被称为芯损耗并且显著地降低电机的效率。因此，存在对具有由减少的芯损耗得到的增大的效率的电机的需要。

发明内容

描述了一种电机装置，其利用海尔贝克(Halbach)阵列和铁磁流体芯。电机包括转子组件和定子组件。转子组件还包括被布置为形成海尔贝克阵列的多个磁体。定子组件还包括也被布置为形成海尔贝克阵列的多个螺线管。定子组件维持螺线管处于相对于转子组件的固定位置中，同时转子组件使磁体的海尔贝克阵列绕该固定位置旋转。代替使用传统黑色金属芯，定子中的螺线管利用铁磁流体芯。铁磁流体不易于受过热影响并且辅助将任何产生的热耗散到周围结构。对铁磁流体芯的使用得到不易于受芯损耗影响并且以增大的效率进行操作的电机。

在一个实施例中，电机装置包括用于使多个磁体旋转的转子部件和用于维持多个螺线管处于相对于转子部件的固定位置中的定子部件。除了具有内圆周和外圆周的多个磁体之外，转子部件具有外圆周。多个磁体被布置为使得它们的外圆周与转子部件的外圆周一致且同心。该布置产生在它们的外圆周之外的通过抵消到接近于零的减弱的磁场，并且产生在它们的内圆周之内的增强的磁场。定子部件具有大于转子部件的外圆周的内圆周，从而导致定子部件包围转子部件。定子部件还包括多个螺线管和控制多个螺线管的换相电路。每个螺线管具有内圆周和外圆周，并且所有螺线管被布置为使得它们的内圆周与转子部件的内圆周一致且同心。该装置产生在多个螺线管的外圆周之外的抵消到接近于零的减弱的磁场，并且产生在螺线管的内圆周之内的增强的磁场。

附图说明

所公开的实施例具有将从详细描述、随附权利要求以及附图(或图)中变得显而易见的优点和特征。下面是对附图的简单介绍。

图1A图示了电机的三维示意图。

图1B图示了电机的部分分解三维示意图。

图1C图示了电机的三维示意图。

图2图示了电机壳体的三维示意图。

图3图示了固定器盖的三维示意图。

图4A图示了框架的三维示意图。

图4B图示了具有切向螺线管的框架的三维示意图。

图4C图示了具有切向螺线管的框架的部分横截面示意图。

图4D图示了具有径向螺线管的框架的示意图。

图4E图示了具有径向螺线管的框架的部分横截面示意图。

图4F图示了具有径向螺线管和切向螺线管两者的框架的部分横截面示意图。

图4G图示了具有径向螺线管和切向螺线管两者的框架的部分横截面示意图。

图5A图示了切向螺线管的布线图。

图5B图示了径向螺线管的布线图。

图5C图示了切向螺线管和径向螺线管两者的布线图。

图6A-6D图示了针对电机换相相位中的相位一到相位四的布线图。

图7图示了轴承固定器的三维示意图。

图8图示了轴缓冲器的三维示意图。

图9图示了磁体的三维示意图。

图10图示了固定环的三维示意图。

图11图示了换相电路的布线图。

具体实施方式

各图(图)和下面的描述涉及仅仅通过说明的方式的优选实施例。应当指出，根据下面的讨论，本文中公开的结构和方法的备选实施例将容易被认识为可以在不脱离要求保护的内容的原理的情况下采用的可行备选方案。

现在将详细对若干实施例进行引用，其中的示例被图示在附图中。要指出，只要可行，相似的或类似的附图标记可以被使用在各图中并且可以指示相似的或类似的功能。附图仅仅出于说明的目的描绘了所公开的系统(或方法)的实施例。本领域技术人员将容易认识到，根据下面的描述，本文中说明的结构和方法的备选实施例可以在不脱离本文中描述的原理的情况下来采用。

示例电机配置

现在参考图1到图10，图示了利用海尔贝克阵列和铁磁流体芯的电机装置的部件和组件。要指出，电机能够为电动机。

图1A图示了电机101的示例实施例的三维示意图。电机包括转子组件105、转子组件外圆周106、轴110、轴承115、轴承固定器120、定子组件135以及定子组件内圆周136。在该示例实施例中，转子组件105在形状上是大致圆柱形的并且包括轴110。在一些实施例中，转子组件105可以具有在中心截面中钻孔的孔以辅助通气和热耗散，并且以减少质量。在该示例实施例中，定子组件135在形状上是大致圆柱形的，并且在一些实施例中，定子组件135还可以具有围绕其圆周钻孔的孔以辅助通气和热耗散，并且以减少总体质量。

转子组件被定位为与定子组件135同心。转子组件外圆周106稍微小于定子组件内圆周136，由此允许转子组件105适配在定子组件135内。转子组件105包括在转子组件105的任一侧上延伸的轴110。轴110由两个轴承115支撑，其继而均由轴承固定器120支撑。每个轴承固定器120被固定为与定子组件135同心。由于转子组件105由轴承115支撑，所以转子组件105能够自由地在定子组件135内旋转。

图1B图示了图1A中示出的电机101的部分分解三维示意图。电机101组件包括转子组件105和定子组件135。转子组件105包括轴缓冲器107、轴110、多个磁体125和固定环130。轴缓冲器107在形状上是圆柱形的，并且还包括外圆周108。在该示例实施例中，多个磁体125中的每个是楔形的使得磁体能够以环形来组装。多个磁体125还包括内圆周126和外圆周127。定子组件135包括轴承115、轴承固定器120、电机壳体140、框架145、固定器盖150以及多个螺线管155。在图2中描绘的实施例中，电机壳体140是具有唇部210和内壁215的圆柱形壳。在一些实施例中，电机壳体140可以具有多个通气孔205以辅助热耗散。图4A中描绘的框架145的实施例包括内环415。图3中示出的固定器盖150的实施例是具有多个安装接片305和挤压件310的扁平圆柱形壳。多个螺线管155包括图4E中描绘的多个切向螺线管430和多个径向螺线管435。多个螺线管155还包括内圆周156和外圆周157。

参考回到1B，轴110在轴缓冲器的中心被连接到轴缓冲器107。轴110在轴缓冲器107的两侧上延伸，并且轴110中的每个端部适配在轴承115之内。两个或多个磁体125以围绕轴缓冲器107的环形来布置。多个磁体的外圆周127与转子组件外圆周106一致且同心。多个磁体的内圆周126与轴缓冲器的外圆周108一致且同心。多个磁体125由固定环130紧固到轴缓冲器107。

轴承115由轴承固定器120支撑。在一些实施例中，轴承115的外直径可以稍微大于轴承固定器120中的下凹孔的内直径，从而导致在轴承与轴承固定器之间的过盈配合(interference fit)。在一个示例实施例中，轴承固定器120被固定到电机壳体140，如图1A所示。在一些实施例中，轴承固定器120可以通过使用螺纹杆被紧固到电机壳体140。在其他实施例中，轴承固定器120可以通过使用螺栓、螺钉、粘合剂、或其他固定方法被紧固到电机壳体140。框架145同心地保持在由电机壳体140的内壁215和唇部210形成的电机壳体140的腔之内。框架145的内环415紧密地抵着唇部210的内直径适配。固定器盖150紧密地抵着电机壳体140和内环415适配，并且通过多个接片305紧固到电机壳体140。在一些实施例中，多个接片305具有孔306，并且螺钉被用于将固定器盖150紧固到电机壳体140。固定器盖的凸起310位于与电机壳体的内壁215和框架145的内环415齐平。多个螺线管155通过围绕框架145缠绕线来形成。多个螺线管155被定位为使得螺线管的内圆周156与定子组件135的内圆周136一致且同心。

电机壳体140的唇部210、电机壳体140的内壁215、框架145的内环415以及固定器盖150适配在一起以形成密封的隔室。在一些实施例中，密封的腔被填充有铁磁流体。多个螺线管155驻存在密封的隔室内并且因此被浸入铁磁流体中。下面进一步讨论使用铁磁流体的优点。在一个实施例中，在唇部210、内壁215、内环415以及固定器盖150之间的接触表面被加工以密封来容纳铁磁流体。在其他实施例中，诸如O形橡胶圈的密封圈被用于确保铁磁流体被密封在隔室内。

图1C图示了图1A中示出的电机101的三维示意图。多根电引线160通过固定器盖150中的多个孔进入电机101。多根电引线160被连接到多个螺线管155。

再次参考图2，其图示了电机壳体140的三维示意图。电机壳体140包括多个通气孔205、唇部210和内壁215。电机壳体140是外加唇部210的圆柱形壳。唇部210是从内壁215朝向电机壳体410的中心突出的薄表面。多个通气孔辅助增加通过电机壳体140的气流以便将热从电机壳体140耗散出。在一个实施例中，电机壳体140由铝制成。在其他实施例中，电机壳体140可以由各种不同的材料制成。

再次参考图3，其图示了固定器盖150的三维示意图。固定器盖150是扁平圆柱形壳并且包括多个安装接片305和凸起310。多个安装接片305从固定器盖150的中心朝外延伸。在一些实施例中，多个安装接片305中的每个可以具有孔306，该孔306被用于将固定器盖150安装到电机壳体140。固定器盖150的该示例实施例具有四个安装接片305。凸起310包括固定器盖150的部分，该固定器盖150的部分比固定器盖外圆周320稍厚并且具有比固定器盖外圆周320小的外圆周315。在一个实施例中，固定器盖150由铝制成。在其他实施例中，固定器盖150可以由各种不同的材料制成。

再次参考图4A，其图示了框架145的三维示意图。框架145包括多个外翅片405、多个内翅片406、多个杆件410、内环415、中环420和外环425。多个外翅片405从外环425径向地延伸并且多个外翅片405中的每个与外环425的圆周垂直。多个杆件410从中环420径向地延伸到外环425并且在形状上是圆柱形的。多个杆件410中的每个垂直于中环420。多个内翅片406从内环415径向地延伸到中环420。多个内翅片406中的每个与内环415的圆周垂直。在一个实施例中，框架145由三维印刷塑料形成。在其他实施例中，框架145可以由各种非铁材料制成。

图4B图示了图4A中描绘的框架145外加围绕框架缠绕的线以创建多个切向螺线管430的三维示意图。针对多个切向螺线管430的线围绕中环420和外环425缠绕。多个外翅片405和多个内翅片406防止多个切向螺线管430围绕框架145以圆周方式移动。在该示例实施例中，多个切向螺线管中的每个与多个外翅片405中的四个和多个内翅片406中的两个相接触。

图4C图示了图4B中描绘的框架145和多个切向螺线管430的横截面视图。杆件410处于中环420与外环425之间可见。多个切向螺线管430中的一个的横截面是可见的。

图4D图示了图4A中描绘的框架145外加围绕框架缠绕的线以创建多个径向螺线管435的示意图。针对多个径向螺线管435的线围绕多个杆件410缠绕在中环420与外环425之间。在该示例实施例中，多个径向螺线管435中的每个围绕多个杆件410中的两个缠绕。

图4E图示了图4F中描绘的框架145和多个径向螺线管435的横截面视图。内环415由多个内翅片406连接到中环420，并且中环420由多个杆件410连接到外环425。多个径向螺线管435中的一个的横截面是可见的。

图4F图示了图4A中描绘的框架145外加围绕框架缠绕的线以创建多个切向螺线管430和多个径向螺线管435的部分横截面视图。多个径向螺线管435中的每个被定位在对应的切向螺线管430之内。

图4G图示了图4A中描绘的框架145外加围绕框架缠绕的线以创建多个切向螺线管430和多个径向螺线管435的部分横截面视图。多个切向螺线管430中的一个的横截面、多个径向螺线管435中的一个的横截面以及多个杆件410中的一个是可见的。多个径向螺线管435中的每个被定位在对应的切向螺线管430之内。

电机的操作

在描述了结构配置的情况下，描述示例操作配置。所描述的电机101通过以下面描述的具体方式来激活多个切向螺线管430和多个径向螺线管435来操作。

螺线管是围绕轴缠绕成紧密封装的螺旋形的线的线圈。通过线的电流产生与线同心的磁场，并且磁场由毕奥—萨伐尔定律预测：

在以上的等式中，B是磁场，μ₀是磁性常数，I是通过线的电流，dl是与I相同的方向上的矢量线元素，r是在线与计算在其处的磁场的点之间的距离，并且r是在r的方向上的单位矢量。由螺线管产生的磁场线的方向与螺线管的轴平行。

多个切向螺线管430中的每个产生与框架的圆周相切的磁场线，并且多个径向螺线管435中的每个产生从框架的中心径向的磁场线。多个切向螺线管430中的每个和多个径向螺线管435中的每个能够以以下方式来激活，该方式使得多个螺线管155形成海尔贝克阵列的。在一个实施例中，定子组件具有16个切向螺线管和16个径向螺线管，其能够被激活使得多个螺线管形成8极(“oct-pole”)海尔贝克阵列。在一些实施例中，线用于切向和/或径向螺线管利兹线(litz wires)。在一些实施例中，利兹线中的每根由10个线束组成，其中每个束为32美国线规(AWG)绝缘磁体线。通常用于承载交流电流的利兹线的益处在于减少在采用例如高达大约MHz范围的较高电流频率的导体中发生的线的外皮和邻近效应损耗。在一些实施例中，利兹线包括多个细线束，多个细线束是单独绝缘的并且根据特定卷绕模式被交织在一起。在一些实施例中，利兹线具有多层卷绕模式，其中每层是卷绕的线的单独的组。

图5A图示了图4H中描绘的定子组件135的示例实施例的布线图，仅仅示出了多个切向螺线管430。定子组件135包括多个切向螺线管430、多个线连接505、图1C中描绘的多个电引线160以及电路环511、516、521和526。多个电引线160还包括单独的引线510、515、520和525。每个单独引线被连接到对应的电路环。单独引线510被连接到电路环511，单独引线515被连接到电路环516，单独引线520被连接到电路环521，并且单独引线525被连接到电路环526。多个线连接505将每个切向螺线管430连接到任一电路环511和516或电路环521和526。

图5B图示了图5A中描绘的定子组件135的示例实施例的布线图，仅仅示出了多个径向螺线管435。多个线连接505将每个径向螺线管435连接到任一电路环511和516或电路环521和526。

图5C图示了图5B中描绘的定子组件135的示例实施例的布线图，外加图5A中描绘的多个切向螺线管430。如图4F所示，多个径向螺线管435中的每个被定位在多个切向螺线管430中的每个之内。因此，存在等同数量的切向螺线管430和径向螺线管435。多个线连接505将每个切向螺线管430和每个径向螺线管435连接到任一电路环511和516或电路环521和526。

图6A图示了图5C中描绘的定子组件135的示例实施例的布线图。在该示例实施例中，图6A描绘了电机换相相位中的相位一。单独引线510和515是不激活的，意味着不存在被施加到引线的电压。单独引线520和525是激活的，其中负电压被施加到引线520，并且正电压被施加到引线525。该施加的电压导致每个激活的螺线管产生磁场。由每个激活的螺线管产生的磁场的方向由多个螺线管箭头605表示。由每个单独激活的螺线管产生的磁场得到由多个磁场箭头610表示的在定子组件135的中心区域中产生的磁场。多个磁场箭头610中的每个在径向螺线管435中的一个处开始，该径向螺线管435中的一个产生在朝向定子组件135的中心的方向上的磁场，并且在径向螺线管435中的一个处结束，其产生在远离定子组件135的中心的方向上的磁场。在该示例实施例中，多个磁场箭头610描绘由针对海尔贝克阵列的oct-pole场产生的磁场。

在图6A的布线图中，使用下面的布线惯例。针对切向螺线管430，由切向螺线管430产生的磁场指向正极电压被施加到其的螺线管的一侧的方向。例如，针对最上面的切向螺线管615，切向螺线管的左侧被连接到外部引线525，其具有被施加到其的正电压。因此，由最上面的切向螺线管615产生的磁场指向左边。针对径向螺线管435，由径向螺线管435产生的磁场指向负电压被施加到其的螺线管的一侧的方向。例如，径向螺线管620的外侧被连接到外部引线520，其具有被施加到其的负电压。因此，由径向螺线管620产生的磁场指向从多个螺线管的中心离开。以上描述的相同的布线惯例被用于图6B、6C和6D。

图6B图示了图6A中描绘的定子组件135的示例实施例的布线图。在该示例实施例中，图6B描绘了电机换相相位中的相位二。单独引线520和525是不激活的，意味着不存在被施加到引线的电压。单独引线510和515是激活的，其中负电压被施加到引线510，并且正电压被施加到引线515。由多个螺线管155产生的磁场与图6A中描绘的磁场相同，除了螺线管箭头605和磁场箭头610已经顺时针旋转了22.5度。

图6C图示了图6A中描绘的定子组件135的示例实施例的布线图。在该示例实施例中，图6C描绘了电机换相相位中的相位三。单独引线510和515是不激活的，意味着不存在被施加到引线的电压。单独引线520和525是激活的，其中负电压被施加到引线520，并且正电压被施加到引线525。由多个螺线管155产生的磁场从图6B中描绘的磁场顺时针旋转了22.5度。

图6D图示了图6A中描绘的定子组件135的示例实施例的布线图。在该示例实施例中，图6D描绘了电机换相相位中的相位四。单独引线520和525是不激活的，意味着不存在被施加到引线的电压。单独引线510和515是激活的，其中负电压被施加到引线515，并且正电压被施加到引线510。由多个螺线管155产生的磁场从图6C中描绘的磁场顺时针旋转了22.5度。一旦电机换相相位中的相位四完成，则相位重置到相位1并且进行重复。

在一些示例实施例中，需要换相电路以通过图6A到图6D中描绘的四个电机相位来对电机101进行换相。当电机从相位1转变到相位4时，由磁场箭头610描绘的磁场相对于定子组件135顺时针旋转90度。该示例实施例形成针对海尔贝克阵列的oct-pole场，并且关于八分区是径向对称的。因此，将电机101从相位四换相到相位一得到由磁场箭头610描绘的磁场相对于定子组件135的连续旋转。

多个磁体125被布置在转子组件105上以产生与由磁场箭头610描绘的场相似的磁场。磁体不能够像多个螺线管155那样被激活和停用，因此由磁体产生的磁场相对于转子组件保持固定。然而，转子组件105能够自由地在定子组件135内旋转。因此，当换相电路通过图6A到图6D中描绘的四个相位来对电机101进行换相时，转子组件105在定子组件135内旋转以跟随旋转的磁场。转子组件105的该旋转是电机101的期望的机械输出，并且完成电能到动能的转换。

铁磁流体芯

如参考图1B所描述的，由电机壳体140的唇部210、电机壳体140的内壁215、框架145的内环415以及固定器盖150形成的密封的隔室由铁磁流体填充，将多个螺线管155浸入到铁磁流体中。铁磁流体是在磁场的存在的情况下被强烈磁化的液体。铁磁流体是由悬浮于载体流体中的纳米级铁磁粒子制成的胶状液体。铁磁粒子的小尺寸允许它们由于热扰动而保持均匀地散布于流体中。每个铁磁粒子被涂覆有表面活性剂以防止粒子聚集在一起。

因为铁磁流体在磁场的存在的情况下被强烈磁化，所以铁磁流体能够用作针对多个螺线管155的磁芯。在该示例实施例中，铁磁流体替代传统铁芯。铁磁流体具有高磁导率并且限制并引导由多个螺线管155产生的磁场。由于铁磁纳米粒子能够自由地在载体流体内移动的事实，所以铁磁流体不易于受在以高频率变化的磁场(例如由多个螺线管155产生的磁场)的存在的情况下变热影响。不易于受变热影响的芯形成由于减少的芯损耗的更有效的电机。还有益的是更有效地使可能仍然将被生成的任何热耗散，因为增大的温度得到多个螺线管155的线中的增大的电阻。铁磁流体还通过对流来使任何产生的热耗散到周围结构。

额外地，一些示例实施例可以利用自我循环的铁磁流体的优点。铁磁流体当其温度增大时丧失其磁性属性。当电机的中心区域的温度增大时，离那些区域最近的铁磁流体的温度也将增大并且丧失其磁性属性。离热区域较远的较冷的铁磁流体则将比离热区域最近的铁磁流体更具磁性。这将导致较冷的铁磁流体取代离热区域最近的铁磁流体，从而得到连续的自循环的铁磁流体。在一个示例实施例中，铁磁流体包括悬浮于基于油的载体流体中的铁纳米粒子。铁磁流体的其他示例实施例可以包括悬浮于各种不同的载体流体中的各种其他材料的纳米粒子。

额外的电机部件

图7图示了轴承固定器120的三维示意图。轴承固定器120的该示例实施例包括多个孔705和轴承切口710。多个孔705围绕轴承固定器120的圆周被定位，并且能够被用于通过参考图1B描述的方法中的任何方法将轴承固定器120紧固到电机壳体140。轴承115被容纳在轴承切口710之内。在轴承固定器120的该示例实施例中，轴承切口710的内直径稍微小于轴承115的外直径，从而得到在轴承115与轴承切口710之间的过盈配合。在其他实施例中，轴承115经由诸如粘合剂或定位螺钉的各种方法被固定在轴承切口710之内。在该示例实施例中，轴承固定器120由铝制成。在其他示例实施例中，轴承固定器120可以由各种其他材料制成。

图8图示了轴缓冲器107的三维示意图。轴缓冲器107包括外圆周108、多个孔805、一个或多个唇部810以及轴815。一个或多个唇部810稍微延伸通过轴缓冲器107的外圆周108。在一个实施例中，孔805的目的在于减少轴缓冲器107的总体质量。在另一实施例中，孔805的目的在于增加通过轴缓冲器107的气流以辅助对流冷却。轴缓冲器107的外圆周108与多个磁体125的内圆周126一致且同心。一个或多个唇部815防止多个磁体125沿轴缓冲器107的轴815移动。轴缓冲器107的轴815是与整个转子组件105围绕其旋转的轴相同的轴。在该示例实施例中，轴缓冲器107由铝制成。在其他示例实施例中，轴缓冲器107可以由各种非铁材料制成。

图9图示了磁体905的三维示意图。磁体905是转子组件105中的多个磁体125中的一个。磁体包括内表面910、外表面915、左表面920和右表面925。在该示例实施例中，内表面910和外边缘915是弯曲的，使得当多个磁体905以环形的形状来布置在多个磁体125中时，多个磁体125形成圆柱形壳。在该示例实施例中，左表面920和右表面925是扁平的，使得多个磁体905能够被布置为形成如以上所描述的圆柱形壳。圆柱形壳的内圆周是多个磁体125的内圆周126，并且与轴缓冲器107的外圆周108同心且一致。在其他示例实施例中，磁体905可以是仍然允许多个磁体905以环形来布置的不同的几何形状。在该示例实施例中，磁体905是钕铁硼永久磁体。在其他示例实施例中，磁体905可以是各种不同种类的永久磁体。在其他示例实施例中，磁体905可以是电磁体。

图10图示了固定环130的三维示意图。固定环130包括内表面1005。内表面1005具有与多个磁体125的外圆周127一致且同心的圆周。多个磁体125被定位在轴缓冲器107与固定环130之间。固定环将多个磁体125紧固到轴缓冲器107作为转子组件105的部分。在该示例实施例中，固定环130由铝制成。在其他示例实施例中，固定环130可以由各种非铁材料制成。

在一些实施例中，需要额外的电子电路来控制电机101。在一些实施例中，额外的电子电路是用于通过图6A-6D中描绘的换相相位来对电机101进行换相的换相电路。图11图示了用于通过图6A-6D中描绘的换相相位来对电机101进行换相的换相电路的示例实施例。换相电路1101包括换相器1105、正引线1110、负引线1115、多个刷1120以及多个弹簧1125。换相器1105还包括多个正触头1106、多个负触头1107、多个中性触头1108以及外圆周1109。正触头1106被连接到正极引线1110，负触头1107被连接到负极引线1115，并且中性触头被断开连接。在该示例实施例中，换相器1105被固定到转子组件105，使得换相器105与转子组件105同心。因此，当转子组件105相对于定子组件135旋转时，换相器1105也相对于定子组件135旋转。多个刷1120和多个弹簧1125被固定到定子组件135，使得刷1120接触换相器1105的外圆周1109。在该示例实施例中，刷1120中的每个接触换相器1105上的不同的触头。在图11中描绘的位置中，刷1120a接触中性触头1108a，刷1120b接触负触头1107a中的一个，刷1120c接触中性触头1108b中的另一个，并且刷1120d接触正接触1106a中的一个。弹簧1125对每个刷1120施加力，使得每个刷1120紧固地与换相器1105的外圆周1109进行接触。弹簧1125a被连接到单独引线515，弹簧1125b被连接到单独引线520，弹簧1125c被连接到单独引线510，并且弹簧1125d被连接到单独引线525。

在图11中描绘的位置中，正引线1110被电连接到正触头1106a，正触头1106a接触并被电连接到刷1120d，刷1120d被电连接到弹簧1125d，弹簧1125d被电连接到单独引线525。负引线1115被电连接到1107a，1107a接触并被电连接到刷1120b，刷1120b被电连接到1125b，1125b被电连接到单独引线520。当正电压被施加到正引线1110时，正电压被传导到单独引线525。当负电压被施加到负引线1115时，负电压被传导到单独引线520。没有电压被施加到单独引线510和515。

现在参考图6A，可以看到图11中描绘的换相器位置形式图6A中描绘的换相相位：正电压被施加到单独引线525，负电压被施加到单独引线520，并且没有电压被施加到单独引线510和515。回到参考图11，当转子组件105顺时针旋转时，换相器1105也顺时针旋转。在该示例实施例中，一旦换相器1105已经顺时针旋转了22.5度，则每个刷1120与换相器1105上的不同的触头相接触。一旦换相器1105已经相对于图11A中描绘的位置顺时针旋转了22.5度，则换相器位置得到图6B中描绘的换相相位。

当换相器1105继续顺时针旋转时，刷1120将接触换相器1105上的不同触头，使得合适的电压被施加到单独引线510、515、520和525，以激活图6A-6D中描绘的换相相位。在该示例实施例中，换相器1105包括两个正触头1106、两个负触头1107以及四个中性触头1108。在其他实施例中，换相器1105可以包括更多或更少数量的触头。在备选实施例中，电机101可以由可变频率驱动器代替换相电路1101来驱动。

额外的配置考虑

在本说明书中，复数实例可以实现被描述为单个实例的部件、操作或结构。尽管一个或多个方法的单独操作被说明并描述为独立的操作，但是单独操作中的一个或多个可以同时被执行，并且不要求按所图示的顺序来执行操作。在示例配置中被呈现为独立的部件的结构和功能可以被实现为组合的结构或部件。类似地，被呈现为单个部件的结构和功能可以被实现为独立的部件。这些和其他变型、修改、添加和改进落入本文中的主题的范围内。

如本文中所使用的，对“一个实施例”、“实施例”或“示例实施例”的任何引用意指结合实施例描述的特定元件、特征、结构或特性被包含于至少一个实施例中。词语“一个实施例”在说明书中的各个地方中的出现不必全部指代相同实施例。

如本文中所使用的，术语“包括(comprises)”、“包括(comprising)”、“包含(includes)”、“包含(including)”、“具有(has)”、“具有(having)”或其任何其他变型旨在涵盖非排他性包含。例如，包括元件的列表的过程、方法、产品或装置不必限于仅仅那些元件而是可以包括未明确列出的或这样的过程、方法、产品或装置固有的其他元件。另外，除非明确给出相反的陈述，否则“或者”是指包含性或者并且不是指排他性或者。例如，条件A或B通过以下中的任何一个来满足：A为真(或存在)并且B为假(或不存在)，A为假(或不存在)并且B为真(或存在)，并且A和B两者都为真(或存在)。

另外，对“一(a)”或“一个(an)”的使用被用于描述本文中的实施例的元件和部件。这仅仅是为了方便而做出的并且给予本发明的一般意义。该描述应当被理解为包括一个或至少一个，并且单数还包括复数，除非明显其意指其他情况。

以上参考图1-10描述具体实施例。参考图2，电机壳体140具有多个孔205。孔205可以辅助冷却电机壳体140并且还辅助减少电机壳体140的总体质量。参考图8，轴缓冲器107具有多个孔805。孔805可以辅助冷却轴缓冲器107并且还辅助减少轴缓冲器107的总体质量。减少轴缓冲器107的质量有利地减少整个转子组件105的旋转惯性。现在参考图9，所描绘的楔形的磁体905有利地允许多个磁体容易地以环形来布置，如参考图1B所描述的。

如参考图1B和图4A所讨论的，容纳铁磁流体的密封腔包括框架145的内环415。使用内环415作为密封腔的密封构件有利地允许框架145保持固定于密封腔内同时减少需要被制造的部件的数量。现在参考图4G，框架145的配置允许每个径向螺线管435有利地被定位在每个切向螺线管430内，其允许更紧凑的螺线管配置。

在阅读本公开内容后，本领域技术人员将通过本文中公开的原理认识到针对利用海尔贝克阵列和铁磁流体芯的电机的另外的额外的备选结构和功能设计。因此，尽管已经说明和描述了特定实施例和应用，但是要理解，所公开实施例不限于本文中公开的精确构造和部件。可以在不脱离随附权利要求中限定的精神和范围的情况下对本文中公开的方法和装置的布置、操作和细节进行对于本领域技术人员将显而易见的各种修改、改变和变型。

Claims (20)

1.一种电机装置，包括：

转子组件，所述转子组件包括外圆周和多个磁体，所述多个磁体包括内圆周和外圆周，所述多个磁体被布置为使得所述多个磁体的所述外圆周与所述转子组件的所述外圆周一致且同心，并且使得所述多个磁体产生在所述多个磁体的所述外圆周之外抵消到接近于零的减弱的磁场，并且产生在所述多个磁体的所述内圆周之内的增强的磁场；

定子组件，所述定子组件包括大于所述转子组件的所述外圆周的内圆周，所述定子组件包围所述转子组件，所述定子组件包括：具有内圆周和外圆周的多个螺线管，所述多个螺线管被布置为使得所述螺线管的所述内圆周与所述转子组件的所述内圆周一致且同心，并且使得所述多个螺线管产生在所述多个螺线管的所述外圆周之外的减弱的磁场以抵消到接近于零，并且产生在所述多个螺线管的所述内圆周之内的增强的磁场；以及换相电路，所述换相电路控制所述多个螺线管。

2.根据权利要求1所述的电机装置，其中所述定子组件包括用于容纳铁磁流体的隔室，所述多个螺线管驻存在所述隔室内，并且所述多个螺线管浸入在所述铁磁流体中。

3.根据权利要求2所述的电机装置，其中所述铁磁流体填充所述多个螺线管中的每个螺线管内的开放腔。

4.根据权利要求3所述的电机装置，其中所述定子组件包括包围所述多个螺线管并且与所述铁磁流体相接触的电机壳体，所述铁磁流体将由所述螺线管产生的热耗散到所述电机壳体。

5.根据权利要求4所述的电机装置，其中所述电机壳体包括用于辅助通气和热耗散的多个孔。

6.根据权利要求1所述的电机装置，其中所述磁体是偶极元件。

7.根据权利要求1所述的电机装置，其中所述多个磁体中的每个磁体是楔形的，使得所述多个磁体中的每个磁体具有磁化的矢量方向，所述磁化的矢量方向以来自所述转子的中心的所述磁体的位置矢量两倍的速率旋转。

8.根据权利要求1所述的电机装置，其中所述多个磁体由总计16个磁体组成。

9.根据权利要求8所述的电机装置，其中由所述多个磁体产生的所述磁场是oct-pole场。

10.根据权利要求1所述的电机装置，其中所述多个螺线管由相等数量的径向螺线管和切向螺线管组成，所述径向螺线管和所述切向螺线管中的每个螺线管包括轴，所述径向螺线管被定向为使得每个径向螺线管的所述轴处于所述多个螺线管的中心径向的方向上，并且所述切向螺线管被定向为使得每个切向螺线管的所述轴处于与所述多个螺线管的所述内圆周切向的方向上。

11.根据权利要求10所述的电机装置，其中每个径向螺线管被定位在对应的切向螺线管之内。

12.根据权利要求1所述的电机装置,其中所述转子组件还包括轴缓冲器，所述轴缓冲器具有与所述多个磁体的所述内圆周一致的外圆周，所述轴缓冲器驻存在所述多个磁体内。

13.根据权利要求12所述的电机装置，其中所述轴缓冲器还包括用于辅助通气和热耗散的多个孔。

14.一种电机装置，包括：

用于使多个磁体旋转的转子部件，所述转子部件包括外圆周和所述多个磁体，所述多个磁体包括内圆周和外圆周，所述多个磁体被布置为使得所述多个磁体的所述外圆周与所述转子部件的所述外圆周一致且同心，并且使得所述多个磁体产生在所述多个磁体的所述外圆周之外的抵消到接近于零的减弱的磁场，并且产生在所述多个磁体的所述内圆周之内的增强的磁场；

用于维持多个螺线管处于相对于所述转子部件的固定位置中的定子部件，所述定子部件包括大于所述转子部件的所述外圆周的内圆周，所述定子部件包围所述转子部件，所述定子部件包括：具有内圆周和外圆周的所述多个螺线管，所述多个螺线管被布置为使得所述螺线管的所述内圆周与所述转子部件的所述内圆周一致且同心，并且使得所述多个螺线管产生在所述多个螺线管的所述外圆周之外的减弱的磁场以抵消到接近于零，并且产生在所述多个螺线管的所述内圆周之内的增强的磁场；以及换相电路，其控制所述多个螺线管。

15.根据权利要求14所述的电机装置,其中所述定子部件包括容纳铁磁流体的隔室，所述多个螺线管驻存在所述隔室内，并且所述多个螺线管浸入在所述铁磁流体中。

16.根据权利要求15所述的电机装置,其中所述铁磁流体填充所述多个螺线管中的每个螺线管内的开放腔。

17.根据权利要求16所述的电机装置，其中所述定子部件包括包围所述多个螺线管并且与所述铁磁流体相接触的电机壳体部件，所述铁磁流体将由所述螺线管产生的热耗散到所述电机壳体。

18.根据权利要求17所述的电机装置，其中所述电机壳体部件包括用于辅助通气和热耗散的多个孔。

19.根据权利要求14所述的电机装置，其中所述多个螺线管由相等数量的径向螺线管和切向螺线管组成，所述径向螺线管和切向螺线管中的每个螺线管包括轴，所述径向螺线管被定向为使得每个径向螺线管的所述轴处于所述多个螺线管的中心径向的方向上，并且所述切向螺线管被定向为使得每个切向螺线管的所述轴处于与所述多个螺线管的所述内圆周切向的方向上。

20.根据权利要求19所述的电机装置，其中每个径向螺线管被定位在对应的切向螺线管之内。